MAX274在變壓器鐵芯在線監(jiān)測中的應(yīng)用

    關(guān)鍵詞：MAX274； 有源濾波器； 變壓器鐵芯； 在線監(jiān)測

大型變壓器在運行時，其鐵芯接地電流很小，約為幾毫安到幾十毫安，但當(dāng)變壓器發(fā)生鐵芯多點接地故障時，其鐵芯接地電流將增大到幾安培甚至幾十安培，從而會導(dǎo)致局部鐵芯過熱，嚴(yán)重時可能造成輕瓦斯動作甚至重瓦斯動作跳閘。

目前，現(xiàn)場人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來監(jiān)測其電流，但由于變壓器強磁場的干擾，測量值很不精確，甚至出現(xiàn)同一測量點幾次測量值差別迥異的情況，這樣測量的參考價值值得懷疑；而國內(nèi)有些單位研制的自動監(jiān)測裝置雖能及時發(fā)現(xiàn)多點接地故障，但缺乏故障后的實時監(jiān)測功能。為此，筆者設(shè)計了一種基于ＧＳＭ通訊的在線監(jiān)測裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測的問題。為了解決正常狀態(tài)下接地電流很小，受到的現(xiàn)場干擾卻比較嚴(yán)重的問題，設(shè)計中采用了Ｍａｘｉｍ公司開發(fā)的８階連續(xù)時間濾波器芯片ＭＡＸ２７４。實踐證明ＭＡＸ２７４的濾波效果比較理想。

１ 在線監(jiān)測裝置的系統(tǒng)組成

為盡量如實反映變壓器接地電流信號的情況，筆者在圖１所示的一次接線圖的變壓器接地線上串接了一個２Ω的無感電阻，這樣就將鐵芯接地電流的測量轉(zhuǎn)化為串接電阻上電壓的測量。該鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置由信號處理部分、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分及輸出控制部分等模塊構(gòu)成，圖２所示是其原理框圖。圖中，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換采用ＭＡＸ１９７，該芯片的精度為１２位，帶故障保護輸入多路轉(zhuǎn)換器和８路模擬輸入通道，具有６μｓ的變換時間；通訊模塊采用杭州愛賽德公司生產(chǎn)的ＧＳＭ模塊；輸出控制主要是指發(fā)生故障后在接地線上串接限流電阻（這是目前常用的故障處理方法），同時現(xiàn)場燈光報警；信號處理部分根據(jù)輸入信號的強弱分成兩路，弱信號部分的處理電路如圖３所示，其中ＯＰ２７是精密運算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重點介紹的有源濾波器芯片。

２ ＭＡＸ２７４芯片簡介

普通運放和ＲＣ網(wǎng)絡(luò)組成的濾波器元件較多，參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，雜散電容會大大影響濾波器特性。ＭＡＸ２７４是單片集成有源濾波器，它無需外接電容，只要調(diào)整外部４個電阻即可。ＭＡＸ２７４的主要參數(shù)特性如下：

●可以根據(jù)需要設(shè)計成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ濾波器形式；

●可以實現(xiàn)低通或帶通濾波輸出；

●采用＋５Ｖ或±５Ｖ電源供電；

●每片由４個２階濾波單元組成（共８階），并可以實現(xiàn)芯片級聯(lián)；

●自帶設(shè)計軟件，可以進行輔助設(shè)計和仿真；

●中心或截止頻率ｆ０范圍為１００Ｈｚ～１５０ｋＨｚ。

ＭＡＸ２７４的引腳及外部接口圖如圖４所示，各引腳功能如下：

ＩＮＸ（２，１１，１４，２３ ）：信號輸入；

ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通輸出；

ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：帶通輸出；

ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ調(diào)節(jié)端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。

３ ＭＡＸ２７４的應(yīng)用設(shè)計與仿真實現(xiàn)

變壓器監(jiān)測現(xiàn)場的干擾主要有電磁干擾、風(fēng)扇振動（８～２５ｋＨｚ）、可控硅動作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和電臺通訊信號（８００ｋＨｚ左右）等，這些信號相對都集中在較高頻段。因此，濾波器應(yīng)設(shè)計為低通濾波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器在通帶內(nèi)具有最大平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈現(xiàn)單調(diào)遞減的特點，因而比較適合本設(shè)計。

其參數(shù)設(shè)計過程如下：

第一步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），計算出Ｒ２；

第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，計算出Ｒ４；

接下來，計算Ｒ３以決定Ｑ值，Ｒ３與Ｑ的值成正比例關(guān)系，其關(guān)系式為Ｒ３＝Ｒ２ Ｑ ＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是濾波器單元內(nèi)的兩個電阻，其比值由ＦＣ管腳連接到哪個引腳決定，具體見表１所列。

表1 FC接點與RX/RY的比值

最后計算出Ｒ１，Ｒ１主要用來設(shè)定增益。對于低通濾波器，Ｒ１的值與增益成反比。其關(guān)系式為：

Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）

濾波器的設(shè)計雖然也可以采用上述步驟手算，但對高階濾波器宜采用軟件輔助設(shè)計。用濾波器設(shè)計專用軟件ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ進行濾波器設(shè)計非常方便，可以節(jié)省大量時間，同時也避免了人為計算的錯誤。軟件仿真可以完成階數(shù)、極點、Ｑ值的計算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的響應(yīng)曲線，并計算外接電阻的阻值。

    本設(shè)計中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器的具體要求為：通帶截止頻率１ｋＨｚ，通帶內(nèi)最大衰減０．１ｍｄＢ，阻帶截止頻率４ｋＨｚ，阻帶最小衰減５０ｄＢ，通帶增益為１。將設(shè)計要求輸入ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件，經(jīng)計算得出濾波器階數(shù)為８，軟件自動調(diào)整后可得到表２所列的４級２階濾波器的設(shè)計參數(shù)，其中的電阻值是經(jīng)過１％精度調(diào)整后得到的，Ｇａｉｎ是直流狀態(tài)的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件生成的增益曲線用Ｍａｔｌａｂ處理后如圖５中的實線所示。

表2 8階濾波器設(shè)計參數(shù)

４ 實驗結(jié)果及注意事項

在實驗室將表２所列的電阻值按照圖４所示接入，并采用ＸＤ－７低頻信號發(fā)生器將正弦波信號輸入濾波器的輸入端，部分典型實驗數(shù)據(jù)如表３所列。輸出與輸入的比值取對數(shù)后生成的曲線如圖５中的虛線所示。對比圖５中的兩曲線可以看出，在小于４ｋＨｚ時，兩曲線基本重合；而當(dāng)大于４ｋＨｚ時，兩者出現(xiàn)了偏差，這是由于實驗時所用電壓表、電阻精度不足及電路板本身的噪聲造成的。即使如此，通過表３可以看出：在４ｋＨｚ時，輸出電壓已經(jīng)衰減為輸入電壓的０.４％，完全可以滿足實際工程的需要，因此，本濾波器的設(shè)計是成功的。

表3 部分實驗數(shù)據(jù)

使用ＭＡＸ２７４時，市場上所能購買到的電阻和計算值之間有一定誤差，因此要對電阻值進行取舍，通常誤差不要超過５％，以使電阻值對濾波器的頻譜影響不至于太大，從而使得到的頻譜關(guān)系滿足要求。另外，當(dāng)Ｒ大于４ＭΩ時，寄生電容的影響將明顯表現(xiàn)出來，此時可用Ｔ型網(wǎng)絡(luò)形式將其變換成小電阻。

ＭＡＸ２７４既可用單＋５Ｖ供電，又可以用±５Ｖ供電。值得注意的是，采用單＋５Ｖ供電時，一定要按圖６方式進行接線。筆者曾想當(dāng)然地將電源接在Ｖ＋與ＧＮＤ引腳之間，結(jié)果燒毀了一片元器件。

５ 結(jié)論

在變壓器鐵芯在線監(jiān)測項目中，鐵芯接地電流很小，而現(xiàn)場高頻干擾相對比較嚴(yán)重。本文探討了采用ＭＡＸ２７４設(shè)計有源濾波器的方法，并給出了實驗數(shù)據(jù)。實際運行結(jié)果表明，本設(shè)計達到了預(yù)期目的。